Matériaux absorbants saturables passifs pour lasers à impulsions brèves

Les lasers à impulsions brèves, en permettant de délivrer des puissances crêtes extrêmement élevées, de quelques kilowatts à quelques dizaines de pétawatts, en un temps extrêmement court, de quelques femtosecondes à quelques dizaines de nanosecondes, permettent une multitude d’applications dans des domaines aussi divers que :

• le marquage, le perçage, la découpe et la soudure des matériaux à l’échelle micrométrique ;

• la chirurgie réfractive de l’œil et de la cataracte ;

• la production de rayons X et l’accélération de particules pour l’imagerie et le traitement des tumeurs cancéreuses ;

• l’étude des réactions chimiques ;

• la physique des plasmas chauds ;

• la fusion thermonucléaire par confinement inertiel ;

• etc.

Il s’agit donc d’un domaine de recherche et développement très actif en constante évolution qui motive les travaux de nombreux chercheurs et industriels.

Suivant le domaine d’application, la source laser la mieux adaptée devra délivrer des impulsions plus ou moins courtes, d’énergie (en Joule) et/ou d’intensité (en W/cm²) plus ou moins élevées, à la cadence et la longueur d’onde les plus appropriées.

De fait, différentes techniques et différents types de matériaux devront être souvent envisagés pour réaliser le laser qui conviendra le mieux pour telle ou telle application, et le choix se fera, non seulement en fonction de l’efficacité de la source laser en question, mais aussi en fonction de sa facilité de mise en œuvre et de son coût.

Le présent article se propose ainsi de mettre l’accent sur les techniques de déclenchement et de verrouillage de modes dites « passives » utilisant des matériaux à absorption saturable, techniques et matériaux permettant de réaliser des sources laser émettant du visible jusque dans le moyen-infrarouge à des cadences très variables allant de quelques Hz à quelques GHz.

Pour cela, la présentation sera faite en trois temps :

• une première partie sera d’abord consacrée à une description rapide et générale du mode de fonctionnement des lasers à impulsions brèves et des différentes techniques pouvant être utilisées ;

• la seconde partie sera consacrée, quant à elle, à une description détaillée des matériaux absorbants saturables proprement dits. Il sera d’abord question des paramètres spectroscopiques, dynamiques et énergétiques qui les caractérisent, puis de leurs conditions d’utilisation et de fonctionnement dans les cavités laser, puis des techniques mises en œuvre pour mesurer les différents paramètres, et enfin des modèles et formulations devant être utilisés suivant qu’il s’agit d’absorbant saturable « rapide » ou « lent » ;

• on fera, en troisième partie, un état des lieux des matériaux absorbants saturables ayant conduit ou pouvant conduire aux résultats les plus intéressants. On détaillera ainsi le cas des cristaux dopés par des ions du groupe du fer et des structures miroirs à semiconducteurs dites SESAM, puis des nanomatériaux en couches minces ou sous forme de nanoparticules.

Ce dernier état des lieux fera le point à la fois sur la composition et la conformation des matériaux et sur les paramètres qui les caractérisent :

• coefficient ou section efficace d’absorption ;

• profondeur de modulation ;

• pertes optiques non-saturables ;

• temps de recombinaison ;

• intensité et/ou fluence de saturation.

À chaque fois, le lien sera fait avec les modèles et expressions utilisés pour en apprécier le bien-fondé et la validité.